JP2000236099A - ＳｉＣショットキーダイオードの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＳｉＣショットキーダイオードにおいて、逆方
向電圧印加時のもれ電流を低減する。 【解決手段】ショットキー電極形成後に 雰囲気：真空、水素を含む不活性ガス（Ａｒ等） 温度 ：２００±５０℃または６００±５０℃ 時間 ：５〜３０分間 の熱処理をおこなう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化けい素（以下
ＳｉＣと記す）を用いたショットキーダイオードの製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高周波、大電力の制御を目的として、シ
リコン（以下Ｓｉと記す）を用いた電力用半導体素子
（以下パワーデバイスと称する）では、各種の工夫によ
り高性能化が進められている。しかし、パワーデバイス
は高温や放射線等の存在下で使用されることもあり、そ
のような条件下ではＳｉデバイスは使用できないことが
ある。また、Ｓｉのパワーデバイスより更に高性能のパ
ワーデバイスを求める要求に対して、新しい材料の適用
が検討されている。本発明でとりあげるＳｉＣは広い禁
制帯幅（４Ｈ型で３．２６ｅＶ、６Ｈ型で３．０２ｅ
Ｖ）をもつため、高温での電気伝導度の制御性や耐放射
線性に優れ、またＳｉより約１桁高い絶縁破壊電圧をも
つため、高耐圧素子への適用が可能である。さらに、Ｓ
ｉＣはＳｉの約２倍の電子飽和ドリフト速度をもつの
で、高周波大電力制御にも適する。

【０００３】パワーデバイスの一つとしてショットキー
ダイオードがある。逆方向電圧印加時のもれ電流はショ
ットキーダイオードを特徴づける重要な性能である。こ
のもれ電流は印加電圧がダイオードの仕様耐圧に達する
まで充分小さいことが望まれる。

【０００４】従来、もれ電流の低減方法としてはショッ
トキー電極材料の選択、電極と半導体の界面の制御や、
耐圧構造の採用などがなされている。例えば、電極材料
の選択では障壁高さの制御が、界面の制御では不純物、
反応生成物の制御が、構造による対策では電界集中の緩
和が、それぞれもれ電流低減の鍵となる。このうち界面
を制御する方法として電極形成後の熱処理がある。

【０００５】Ｓｉ、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）とショッ
トキー接合を形成する電極用金属は、比較的低温でこれ
ら半導体と反応し、適当な条件によりもれ電流を低減で
きるとの報告がある[ E.H.Rhoderick, "Metal-Semicond
uctor Contacts 2nd edition", Oxford Science Publis
hing, pp.189-193,(1988) ] 。

【０００６】ＳｉＣは様々な金属とショットキー接合を
作ることが知られている［例えばItoh,A. et al, Phys.
Stat. Sol.(a), vol.162, no.1, pp.389-408 (1997)
参照］。また、ＳｉＣダイオードで逆方向特性を改善す
る方法として、エッジターミネーション構造やｐｎダイ
オードを組み合わせたデバイス構造の工夫がなされてい
る［Itoh,A. et al, IEEE Electron Device Lett., vo
l.17, pp.139-141 (1996) 参照］。またＴｉをショッ
トキー電極としたショットキーダイオードでは熱処理に
よるもれ電流の低減効果が報告されている［D.Alok et
al., MaterialsScience Forum vol.264-268, pp.929-9
32,(1998)］。Ｎｉ−ＳｉＣショットキーダイオードに
ついても、もれ電流対策としてはエッジターミネーショ
ンが用いられている［K.J.Schoen et al.,IEEE Trans.
ED, vol.45, no.7,(1998) pp.1595-1603］。

【０００７】一方、Ｎｉ−ＳｉＣ接合を加熱することで
ニッケルシリサイドが生成し、順方向の特性が変化する
ことが知られている［J.R.Warldrop et al.,Appl. Phy
s. Lett., Vol.62, no.21, pp.2685-2687 (1993) ］。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ＳｉＣショットキーダ
イオードにおいても、上記のように逆方向もれ電流を低
減するための様々な試みがなされているが、逆方向もれ
電流についてはなお一層の低減が望まれている。本発明
の目的は、Ｎｉをショットキー電極とするＳｉＣショッ
トキーダイオードにおいて、逆方向もれ電流の低減を図
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題解決のため本
発明のＳｉＣショットキーダイオードの製造方法は、シ
ョットキー電極とするＮｉ膜を被着後、２００±５０℃
または６００±５０℃で５〜３０分間熱処理するものと
する。

【００１０】後述する実験によれば、上記の熱処理によ
り、逆方向もれ電流の低減が認められた。詳細な機構は
不明であるが、熱処理によりＮｉ₂ Ｓｉ、ＮｉＳｉ等の
Ｎｉシリサイドが界面に生成して、ショットキー接合の
密着性が向上し、欠陥が減少したためと考えられる。４
００℃の前後では、シリサイドがこの温度付近で転移す
るためか、特性の劣化が見られる。特に、熱処理の雰囲
気としては、真空、水素を含む不活性ガスのいずれでも
良いことが、やはり実験でわかった。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下図面を参照しながら本発明の
実施の形態を説明する。 ［実験１］図２は、本発明のための実験をおこなったＳ
ｉＣショットキーダイオードの断面図である。

【００１２】高不純物濃度のｎ⁺ サブストレート４上に
低不純物濃度のｎエピタキシャル層３を積層したＳｉＣ
ウェハのｎエピタキシャル層３の表面にＮｉのショット
キー電極１が、ｎ⁺ サブストレート４の裏面にＮｉのオ
ーミック電極５がそれぞれ設けられている。２は界面の
シリサイド層である。

【００１３】以下に試料の作製方法と評価について述べ
る。ＳｉＣ基板として４Ｈ型ＳｉＣ単結晶エピタキシャ
ルウェハを用いた。そのｎ ⁺ サブストレート４の厚さは
３００μm 、ｎエピタキシャル層３の厚さは１０μm
で、不純物濃度はそれぞれ８×１０¹⁸cm^-3、１×１０¹⁶
cm^-3である。ＳｉＣウェハはダイサーにより５mm角のチ
ップに切り分けた後、電極形成のための前処理として有
機溶剤と酸による有機物除去および熱酸化とフッ酸浸漬
による表面不完全層除去をおこなった。なお本実験に用
いたエピタキシャルウェハでは、（０００１）Ｓｉ面か
ら〈１１、−２、０〉方向に８度傾けた面にｎエピタキ
シャル層３が成長されている。

【００１４】まず、ｎ⁺ サブストレート４裏面の炭素面
（以下Ｃ面と記す）にオーミック電極５の形成をおこな
う。オーミック電極５としては、Ｎｉ膜を２００μm の
厚さにスパッタ蒸着し、約１０００℃で５分間の熱処理
をおこなった。

【００１５】次にｎエピタキシャル層３のＳｉ面にＮｉ
膜をスパッタ蒸着した。厚さは２００ｎｍである。Ｎｉ
膜を形成後、フォトリソグラフィによりパターニング
し、ショットキー電極１とした。その大きさは、直径
０．５mmとした。

【００１６】続いて、真空アニール炉でショットキー電
極１の熱処理をおこなった。処理条件は圧力を１×１０
^-3Pa、温度を２００〜６５０℃、時間を１０分とした。
以上で作製したＳｉＣショットキーダイオードを銅板上
にはんだづけした。はんだ付け温度は約２００℃であ
り、時間は約１分である。

【００１７】熱処理をしないものを試料Ａ、熱処理温度
を２００、４００、６００℃とした試料をそれぞれＢ，
Ｃ，Ｄとする。なおショットキー電極のエッジターミネ
ーションはおこなっていない。

【００１８】ショットキーダイオードを評価するため電
流−電圧測定をおこなった。図１は、試料Ａ〜Ｄに逆方
向に２００V （以下−２００V と表記する）の電圧を印
加した際に流れた電流と、試料の特性指標であるｎ値の
比較図である。縦軸は、２００V に於ける逆もれ電流密
度、およびｎ値であり、横軸は熱処理温度である。表１
には、測定結果から得られたダイオード特性をまとめ
た。

【００１９】ｎ値は、ダイオード特性の良否の程度を表
す指標の一つで、順方向の電流−電圧特性から得られ
る。具体的には、印加電圧Ｖと順方向電流密度Ｊとの関
係を表す次の式に含まれている。

【００２０】 J＝ J_s [exp(qV/nkT)-1] (1) ここで、J は電流密度、J _s は飽和電流密度、q は電子
電荷、V は電圧、k はボルツマン定数、T は絶対温度で
ある。ダイオード特性が、理想的な場合には、ｎ＝１と
なる。一般的にはｎ＞１であり、１からのずれが大きく
なる程、そのダイオードの特性は悪いと見なされる。

【００２１】

【表１】 この図１および表１から以下のことが分かる。 熱処理をおこなわない試料Ａと比較して、熱処理をし
た試料Ｂ、Ｄでは、障壁高さ、ｎ値の順方向特性は余り
変化していない。一方で、逆方向特性が改善されてお
り、２００V 印加時のもれ電流は２〜３桁小さくなり、
処理温度が低い程低減されている。

【００２２】４００℃で熱処理した試料Ｃは、もれ電
流は２〜３桁小さいが、ｎ値は、１．１０と最も悪く、
その障壁高さが最も小さい。これらは熱処理によりＮｉ
₂ Ｓｉ、ＮｉＳｉ等のニッケルシリサイドが界面に生成
して、ショットキー接合の密着性が向上し、欠陥が減少
したためと考えられる。４００℃の前後で特性が変化し
ているのは熱処理により生成するシリサイドがこの温度
付近で転移するためと思われる。

【００２３】これらの点を総合すると、Ｎｉ電極をもつ
ＳｉＣショットキーダイオードの熱処理としては、２０
０℃を中心とする温度か、６００℃を中心とする温度が
よく、４００℃を中心とする温度は避けるべきと考えら
れる。

【００２４】なお、Ｎｉの膜厚は本実施例では２００nm
としたが、別の実験において１００〜１０００nmの範囲
で本実施例と同様の効果が得られることがわかってい
る。

【００２５】［実験２］本実験では熱処理時の雰囲気を
方法を水素と窒素との混合ガスとし、熱処理温度を２０
０〜５５０℃の範囲で変えた。ショットキーダイオード
の作製方法において電極をパターニングするまでの方法
は実験１と同じである。

【００２６】本実験では、ショットキー電極形成後の熱
処理を水素と窒素との混合ガスを流した石英管状炉でお
こなった。窒素の流量を毎分２．５L とし、混合ガスの
体積比は水素：窒素＝１：１０とした。熱処理時の圧力
は大気圧、時間を３０分とした。

【００２７】以上で作製した基板を銅板上にはんだづけ
した。処理温度を２００、４００、５５０℃とした試料
をそれぞれＥ，Ｆ，Ｇとする。ショットキーダイオード
を評価するため電流−電圧測定をおこなった。図３は、
それぞれ試料Ｅ〜Ｇの測定結果を図１と同様にまとめた
温度依存性を示す比較図である。また表１に順方向特性
から求めたｎ値および障壁高さを記入した。図３、表１
から、本実験の熱処理方法によっても実験１と同様の結
果が得られることが分かる。

【００２８】実験１の傾向とは異なるが、熱処理をお
こなわない試料Ａと比較して、熱処理をした試料Ｅ，Ｇ
では逆方向特性が改善されており、２００V 印加時のも
れ電流は１桁小さくなっている。

【００２９】この場合も熱処理によりＮｉ₂ Ｓｉ、Ｎｉ
Ｓｉ等のニッケルシリサイドが界面に生成してショット
キー接合の密着性が向上し、欠陥が減少したためと考え
られる。

【００３０】４００℃で熱処理した試料Ｆは逆方向も
れ電流が大きく、また、順方向特性のｎ値は、１．０２
と悪くないが、その障壁高さは最も小さい。この原因は
実験１と同様に４００℃の前後でシリサイドが転移する
ためかも知れない。

【００３１】これらの点を総合すると、Ｎｉ電極をもつ
ＳｉＣショットキーダイオードの熱処理としては、２０
０℃を中心とする温度か、６００℃を中心とする温度が
よく、水素と窒素との混合ガスの雰囲気でも４００℃を
中心とする温度は避けるべきと考えられる。

【００３２】以上２つの実施例では熱処理の時間をそれ
ぞれ１０、３０分としたが追加の実験で共に５分以上の
処理で効果が現れることが分かっている。さらに本実施
例では４Ｈ−ＳｉＣのＳｉ面上にショットキー電極を形
成する例を述べたが、本発明の方法は４Ｈ−ＳｉＣのＣ
面や６Ｈ−ＳｉＣのＳｉ面、Ｃ面にも適用できることを
確認した。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、Ｎ
ｉショットキー電極のＳｉＣショットキーダイオードの
製造方法において、Ｎｉ膜を被着後２００℃または６０
０℃近傍で熱処理することにより、順方向特性を損なう
ことなく逆方向もれ電流を低減することができる。

【００３４】従って本発明は、Ｓｉショットキーダイオ
ードを超えたパワーデバイスとしてのＳｉＣショットキ
ーダイオードの発展、普及に貢献するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】実験１の試料Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおける特性の温
度依存性を示す比較図

【図２】本実施例のショットキーバリアダイオードの断
面図

【図３】実験２の試料Ｅ、Ｆ、Ｇにおける特性の温度依
存性を示す比較図

【符号の説明】

１ ショットキー電極 ２ シリサイド層 ３ ｎエピタキシャル層 ４ ｎ⁺ サブストレート ５ オーミック電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体炭化けい素を用い、ニッケルをショ
   ットキー電極とする炭化けい素ショットキーダイオード
   の製造方法において、ショットキー電極とするニッケル
   膜を被着後、２００±５０℃または６００±５０℃で５
   〜３０分間熱処理することを特徴とする炭化けい素ショ
   ットキーダイオードの製造方法。
2. 【請求項２】熱処理の雰囲気を真空、水素を含む不活性
   ガスのいずれかとすることを特徴とする請求項１記載の
   炭化けい素ショットキーダイオードの製造方法。